ניקוי UV וחישוף UV בייצור מוליכים למחצה ואלקטרוניקה

קרינת אולטרה-סגול משמשת לשתי מטרות שונות מהותית בייצור מוליכים למחצה ואלקטרוניקה: ניקוי והפעלה יבשים ופוטוכימיים של משטחים, וחישוף שכבות רגישות לקרינה. בניקוי UV של מוליכים למחצה, נספחים אורגניים מתפרקים חמצונית ל-CO₂ ול-H₂O באמצעות פוטונים קצרי אורך גל ומינים תגובתיים של חמצן (ROS) שהם מייצרים, בלי כל השפעה מכנית או כימית-רטובה. בחישוף UV של פוטורזיסט, מנת הפוטונים הנספגת קובעת את ההמרה הכימית של התרכובת הפוטו-אקטיבית ובכך את פרופיל הקצוות ואת המימד הקריטי.

שני התהליכים נקבעים על ידי אותם גדלים: עצמת קרינה ספקטרלית בנקודת התהליך, חשיפה קרינתית, התנהגות הבליעה של החומר, הגאומטריה של מרווח ההקרנה והרכב אטמוספרת התהליך. האתגר המרכזי הוא שאף אחד מגדלים אלה לא ניתן להסקה אמינה מהספק החשמלי של המנורה או ממשך התהליך.

• החלפת מנורות מרקורי בלוח זמנים קונקרטי. הפטור המוגבל בזמן של RoHS למנורות מרקורי UV עד פברואר 2027 נוגע במפורש לפוטוליתוגרפיית i-line ולחשיפת שולי הרקיע (wafer edge exposure). המעבר ל-UV LED משנה את הספקטרום מספקטרום קווי עם רצף לרצועה צרה. מתכוני מנת קרינה אינם עבירים 1:1, וחיישנים עם משקול ספציפי למנורה חייבים להיבחן מחדש.
• עלייה בנצילות ובצפיפות ההספק של UV LED. בתחום UV-A ניתן להשיג נצילות wall-plug של 40 עד 55 %; בתחום UV-C באורך גל 265 nm מדווח כעת על נצילות של כ-10 % בהספק אופטי של כמה מאות מיליוואט. זמני חשיפה קצרים יותר ובקרת מנת קרינה יציבה יותר, אך דרישות חדשות לניהול תרמי, שכן אורך גל הפליטה תלוי-טמפרטורה. מה שטכנולוגיית LED מספקת כיום לפי אורך גל מסוכם בנוריות UV לתחומי UVA, UVB ו-UVC.
• מקורות באורך גל קצר ובעלי אוזון נמוך. מקורות KrCl באורך גל 222 nm מרחיבים את חלון התהליך במקרים בהם יש להימנע מאוזון. מסלול התגובה עובר מכימיה מבוססת אוזון לפוטוליזה ישירה, דבר המשנה את זמני התהליך ואת התאימות החומרית.
• הדבקה היברידית (hybrid bonding) ואינטגרציה תלת-מימדית. ממשקים קובעים את התפוקה בצפיפויות חיבור גבוהות מאוד. הפעלת פני השטח (surface activation) עוברת מטיפול מקדים לשלב תהליך מוסמך ומאובטח מטרולוגית עם חלון תהליך צר – כולל מגבלת הקרנה עליונה בשל עלייה בגסות פני השטח.
• תהליכי שכבה עבה ותהליכים בקנה מידה של פאנל. פורמטים גדולים יותר וחומרי צילום (resist) עבים יותר מעבירים את הבעיה מרזולוציה להומוגניות ולפרופיל מנת הקרינה על פני העומק. מדידת הומוגניות שטחית במקום מדידה נקודתית.

גדלי שוק, שיעורי צמיחה ומקורות עבור תחום יישום זה מסוכמים בעמוד התפתחות השוק של טכנולוגיית UV.

יצירת הערך מתחלקת לשלושה תחומים בעלי רלוונטיות שונה מאוד ל-UV. הfront end נשלט על ידי תבנות (patterning) באורכי גל 248 nm, 193 nm ו-13.5 nm; טכנולוגיית UV קלאסית בתחום 172 עד 436 nm מופיעה שם בעיקר כשלבי ניקוי, הפעלה (activation) ויציבות פוטוכימית, וכן בחשיפת קצה הפלטה (wafer edge exposure). בback end ובאריזה מתקדמת (advanced packaging), מספר שלבי התהליך המבוססים על UV גדל: פוטורזיסטים בשכבה עבה לשכבות חלוקה מחדש (RDL), דבקים זמניים וסרטי נשא המשתלבים בשחרור UV, אטימה והכמסה (potting and encapsulation), וניקוי לפני הדבקה ותבנית יציקה. סביבת ההרכבה והחיבור בין-רכיבי בייצור אלקטרוני מוסיפה ייצור לוחות מעגלים מודפסים, חיישנים ואופטיקה.

הנקודה המעניינת מבחינה כלכלית נעוצה באינטראקציה: הצמיחה כיום נישאת על ידי התקני זיכרון ו-AI, המסתמכים במידה רבה על ערימת תלת-מימד (3D stacking), ארכיטקטורות chiplet והדבקה היברידית (hybrid bonding). ארכיטקטורות אלו מסיטות את יצירת הערך לשלבי תהליך שהתפוקה (yield) שלהם תלויה במישרין במצבי המשטח הבין-פאזי. הדבר מעלה את הדרישות להפעלת משטח (surface activation) הניתנת לשחזור, לדיוק המנה (dose fidelity) בחשיפת רזיסט עבה, ולטכנולוגיית מדידה שמתעדת כמויות אלו בנקודת התהליך עצמה ולא במנורה.

• השטח לכל התקן גדל בעוד הסבילויות מצטמצמות. עם אינטרפוזרים, אריזה בגודל פאנל ושדות RDL בפורמט גדול, אחידות עצמת הקרינה הנופלת על פני השטח הופכת לגורם המגביל.
• מעבר מטיפול קדם רטוב-כימי לטיפול קדם יבש. ניקוי בעוזון UV והפעלה ב-VUV מחליפים כימיה רטובה במקרים שבהם זיהום חלקיקי, סימני התייבשות או תאימות כימית הם קריטיים.
• לחץ רגולטורי על מנורות אדי כספית. פטור RoHS מספר 4(f)-IV למנורות UV בעלות תכולת כספית בלחץ בינוני וגבוה תקף עד 24 בפברואר 2027; הוא חל באופן מפורש על פוטוליתוגרפיה בקו i וחשיפת קצה מוליך למחצה (wafer). אין בכך משום איסור אוטומטי, אך הדבר מחייב תכנון מוקדם למעבר טכנולוגי.

ניקוי בעזרת אוזון וקרינת UV הוא תהליך חמצון פוטוכימי יבש. פוטוני UV קצרי אורך גל פועלים בשני מסלולים: ישירות באמצעות פוטוליזה של קשרים במולקולות אורגניות סופחות, ובעקיפין על ידי יצירת מינים תגובתיים של חמצן (ROS) מהאטמוספרה הסובבת.

התהליך הקלאסי עם מנורת מרקורי בלחץ נמוך העשויה מקוורץ מותך סינתטי משתמש בשני קווי תהודה. קו 185 nm מפרק חמצן מולקולרי; אטומי החמצן הנוצרים יוצרים אוזון עם O₂. קו 254 nm נבלע באופן חזק על ידי האוזון ברצועת Hartley ומפרק אותו מחדש, ומייצר בעיקר חמצן אטומי מעורר O(¹D). ביניים תגובתי מאוד זה מחמצן פחמימנים ל-CO₂ ול-H₂O, המוסרים כגז. במקביל, נוצרות קבוצות קוטביות על פני השטח, מה שהופך משטחי סיליקון ותחמוצת להידרופיליים. כיצד תהליך זה פועל בפירוט והיכן גבולותיו מתוארים בניקוי והפעלת משטחים באמצעות UVC ואוזון.

בתהליך ה-VUV עם קרינת אקסימר קסנון באורך גל 172 nm, פוטוליזה ישירה שולטת: פוטון באורך גל זה נושא 7.2 eV או 696 kJ/mol, שהוא מעל אנרגיות הקשר של קשרי C–C, C–H ו-C–O. בנוסף, חמצן מתפרק בקרבה מיידית לפני השטח, כך שחמצן אטומי נוצר במקום שבו עליו לפעול. האפקט הנמדד של שני התהליכים הוא שינוי במצב פני השטח, ולא הסרת חומר: זווית המגע של המים ואנרגיית פני השטח משתנות, בעוד שהטופוגרפיה נשארת באופן אידיאלי ללא שינוי.

פוטורזיסטים אינם חומרי סף עם אורך גל ניתוק קבוע; יש להם רצועות בליעה. פוטורזיסטים חיוביים קלאסיים המבוססים על דיאזונפתוקינון ונובולק נחשפים בטווח קו ה-i (365 nm) וקווי ה-h וה-g (405 nm, 436 nm). החשיפה הופכת את התרכובת הפוטואקטיבית; האזורים החשופים הופכים מסיסים בחומר המפתח. פוטורזיסטים מוגברים כימית (CAR) ל-DUV ו-EUV פועלים אחרת: החשיפה מייצרת חומצה הפועלת קטליטית רק במהלך האפייה שלאחר החשיפה (post-exposure bake). התוצאה אז אינה תלויה יותר במנת הקרינה האופטית בלבד, אלא גם בתקציב התרמי.

טווחי מנות קרינה טיפוסיים לצורך התמצאות: פוטורזיסטים חיוביים דקים מקו ה-i ב-mask aligner דורשים כ-65 עד 110 mJ/cm², פוטורזיסטים לשכבות עבות עבור שכבות redistribution בעובי 8 עד 20 µm ב-i-line stepper בסביבות 180 mJ/cm², פוטורזיסטים ל-EUV כ-30 עד 90 mJ/cm² בהתאם ליעד הרזולוציה. ערכים אלו תקפים תמיד רק בהקשר להרכב הספקטרלי של המקור שלגביו נקבעו.

הספק חשמלי אינו מנת קרינה אופטית. החלק מן ההספק החשמלי המגיע לנקודת התהליך כקרינה שמישה בתחום הספקטרלי הרלוונטי נמצא באזור של אחוזים בודדים עד עשרות אחוזים במנורות פריקת גז, והוא יורד במהלך אורך חיי המנורה. הזדקנות המחזירים, התכהות החלון והשקעים פועלים באופן מכפלתי. קריאת הספק שלא השתנתה אינה שוללת אובדן מנת קרינה של עשרות אחוזים.

זמן בלבד אינו גודל תהליכי. מפרט כגון “60 s הקרנה” ניתן לשחזור רק במסגרת תצורת ציוד שלא השתנתה. ברגע שהמנורה, המרחק, החלון או זרימת הגז משתנים, מנת הקרינה משתנה מבלי שהזמן משקף זאת.

החלק של 185 nm מוערך פעמים רבות בחסר או ביתר, ולעיתים אינו קיים כלל. מנורות כספית בלחץ נמוך מייצרות אוזון רק אם הבולבוס עשוי מקוורץ מותך סינתטי עם העברה גבוהה בתחום VUV. בולבוסים מסוממים חוסמים בכוונה את 185 nm. שתי מנורות עם מפרטי 254 nm זהים יכולות אפוא להציג התנהגות ניקוי שונה בתכלית.

ב-172 nm האטמוספרה עצמה מגבילה את הטווח. שטח החתך לבליעה של חמצן מולקולרי ב-172 nm הוא כ-4.6 · 10⁻¹⁹ cm². באוויר בתנאים סטנדרטיים הדבר גורם לדעיכה ל-1/e לאחר כ-4 mm ולדעיכה של 90% לאחר כ-10 mm. מרחק עבודה של 20 mm אינו אפוא “מעט פחות מנת קרינה” אלא כמעט ואין קרינת VUV כלל על פני השטח. ב-185 nm שטח החתך נמוך בכשני סדרי גודל; שם מרחקים של מספר סנטימטרים הם סבירים.

אנרגיית הפוטון היא תנאי הכרחי אך לא מספיק. פוטון של 254 nm נושא 471 kJ/mol, נומינלית מעל אנרגיית הקשר של קשר C–C. עם זאת, פחמימנים רוויים בולעים מעט מאוד באורך גל זה. אפקט הניקוי ב-254 nm נובע אפוא בעיקר בעקיפין דרך פוטוליזה של אוזון. מי שמשתמש ב-254 nm ללא תקציב אוזון מספק מפסיד את מסלול התגובה הדומינטי.

יותר מנת קרינה אינה תמיד טובה יותר. בטיפול VUV ממושך מדי בסיליקון גסות פני השטח עולה באופן מדיד – במחקרים על הדבקה ישירה (direct bonding) מ-0.30 nm RMS במצב ההתחלתי לכ-0.94 nm לאחר 25 min ב-10 mW/cm². זווית המגע כבר הגיעה לרוויה הרבה לפני כן. לתהליך יש אפוא אופטימום, לא התנהגות מונוטונית.

זיהום חוזר מהיר מהמצופה. משטחים מופעלים אינם יציבים תרמודינמית. פחמימנים מאוויר הסביבה, מאריזה וממטרים שכנים נספחים מחדש בתוך דקות עד שעות. הזמן בין הפעלת המשטח לחיבור הוא אפוא אחד מפרמטרי התהליך.

זווית מגע ומנת קרינה מודדות דברים שונים. מנת הקרינה מוכיחה שהתקיים קלט קרינה מוגדר. זווית המגע או אנרגיית פני השטח מוכיחות שמצב פני השטח הרצוי הושג. אין גודל אחד מחליף את השני.

מדידה בסמוך לנקודת התהליך אינה נקודת התהליך. במרווחים של מספר מילימטרים, בירידת עצמת הקרינה בקצוות ובטופוגרפיה מוצללת, הערך על פני שטח הרכיב שונה במידה ניכרת מהערך במיקום החיישן בקיר התא.

ההשפעה הספקטרלית פועלת בשלוש רמות. ראשית, בצד המקור: ערך בגיליון נתונים של “365 nm” מתאר את מרכז הכובד של התפלגות. FWHM, מקסימות משניות ו-, אצל נוריות LED, ההיסח התלוי בטמפרטורה של מקסימום הפליטה בשיעור של כמה עשיריות ננומטר לכל שינוי קלווין, משנים את החלק האפקטיבי. במנורות פריקת גז היחסים בין קווי ה-g, ה-h וה-i משתנים במהלך חיי המנורה.

שנית, בצד החומר: תמיסות פוטורזיסט וזרזי פוטואיניציאטור בעלי פסי בליעה עם שוליים חדים. היסח של המקור בכמה ננומטרים יכול לשנות את החלק הנבלע באחוזים בודדים ועד עשרות אחוזים. בתמיסות פוטורזיסט בשכבה עבה מתווספת גם תלות בעומק: לפי חוק למברט-בר, עצמת הקרינה הנופלת יורדת בצורה אקספוננציאלית, כך שמנת הקרינה על פני השטח ובתחתית מתפצלות זו מזו. מערכות בעלות בליעה חזקה מייצרות כתוצאה מכך דפנות צד משופעות, ומצעים מחזירי אור מייצרים בנוסף גלים עומדים.

שלישית, בצד הגאומטריה: בניקוי VUV מרווח ההקרנה הוא מרחב תגובה, לא מסלול הולכה. הנתיב החופשי הממוצע של חמצן אטומי בלחץ אטמוספרי נמצא בטווח של כמה מיקרומטרים, כך שהמין התגובתי מתכלה קרוב מאוד למקום היווצרותו. הגדלת המרחק לא רק מפחיתה את עצמת הקרינה הנופלת אלא גם מרחיקה את היווצרות הרדיקלים מפני השטח. ברכיבים בעלי מבנה מודגש מתווספים גם הצללה, הקרנת יתר בקצוות, ו- בחריצים עמוקים ובחורים סתומים - חילופי גז מוגבלים. גם ריכוז האוזון עצמו פועל בצורה גאומטרית: בריכוז אוזון של 1000 ppm נבלעים כ-13 % מהקרינה באורך גל 254 nm על פני מסלול של 5 mm, ובריכוז של 5000 ppm כמחצית. ריכוז אוזון גבוה אינו מגדיל אפוא את האפקט ללא הגבלה, אלא מתחיל לחסום את הקרינה שמפעילה אותו.

שלושה יחסים מספיקים כדי לחשב את התלות ההדדית המהותית.

אנרגיית פוטון. מתוך E = h · c / λ נובעת אנרגיית הפוטון המולרית. היא קובעת אילו קשרים ניתן לפרק ישירות בכלל.

חוק למברט-בير. E(z) = E₀ · exp(−α · z) מתאר גם את הנחתת קרינת VUV בפער המכיל חמצן וגם את פרופיל מנת הקרינה בשכבת הרזיסט. מקדם הבליעה α תלוי באורך הגל ובריכוז; עבור גזים α = σ · n כאשר σ הוא חתך הבליעה ו-n צפיפות החלקיקים. המודל מניח בולעים הומוגניים, היעדר פיזור ותכונות אופטיות קבועות. ברזיסטים פוטוגרפיים ההנחה האחרונה מופרת ברגע שמתחיל הלבנה (bleaching).

קינטיקת החשיפה על פי Dill. עבור רזיסט חיובי, בקירוב מסדר ראשון M/M₀ = exp(−C · E), כאשר M הוא ריכוז התרכובת הפוטואקטיבית, E מנת הקרינה ו-C פרמטר Dill שיחידתו cm²/mJ. כל עוד תיאור זה תקף, המכפלה של עצמת הקרינה הנופלת בזמן היא הגודל הקובע - חוק ההדדיות (reciprocity) מתקיים. הפחתת עצמת הקרינה למחצה בזמן כפול נותנת את אותה תוצאה. הצהרה זו מאבדת את תוקפה כאשר מעורבת תגובה שנייה, שאינה מונעת פוטונים - כגון דיפוזיית חומצה באפייה שלאחר החשיפה ברזיסטים מוגברים כימית, עיכוב חמצן בשכבות עבות או השפעות תרמיות בעצמת קרינה גבוהה. במקרים אלה עצמת הקרינה והזמן הופכים לפרמטרים בלתי תלויים.

הנחות. שכבת פחמימנים מקרית בעובי 2 nm, צפיפות 1 g/cm³, יחידת מבנה ממוצעת CH₂ במשקל מולרי 14 g/mol. הקרנה באורך גל 172 nm. אנרגיית פוטון 1.155 · 10⁻¹⁸ J.

מודל. מספר יחידות המבנה ליחידת שטח N = d · ρ · N_A / M; מספר הפוטונים הנדרש N_Ph = N / Φ, כאשר Φ הוא נצילות הקוונטית האפקטיבית להסרה מלאה של יחידת מבנה אחת; מנת הקרינה H = N_Ph · E_Ph.

חישוב. N ≈ 8.6 · 10¹⁵ cm⁻². בנצילות אידיאלית של Φ = 1 מנת הקרינה תהיה כ-10 mJ/cm². במציאות נדרשים כמה פוטונים ליחידת מבנה שיש להסיר, מכיוון שרקומבינציה, בליעה בפאזת הגז וחיזור לא שלם גורמים לאיבודים. עבור Φ = 0.1 מתקבל כ-100 mJ/cm², ועבור Φ = 0.03 כ-330 mJ/cm².

תוצאה ופרשנות. בעצמת קרינה טיפוסית של VUV של 10 mW/cm² על פני השטח, 100 mJ/cm² מתאים לכ-10 s. זמני תהליך שנצפו בפועל, של כמה דקות עד להשגת זווית מגע נמוכה מ-5°, גבוהים בהרבה מכך. ההבדל אינו סתירה אלא המידע האמיתי: הוא מבטא כמותית את האיבודים הנובעים מבליעה בפאזת הגז, מהסרת תוצרי התגובה ומהגבלת דיפוזיה. מי שרוצה להעביר זמני תהליך ממערכת אחת לאחרת חייב לכן לדעת את עצמת הקרינה בנקודת התהליך; ציון הזמן בלבד אינו ניתן להעברה.

הנחות. נגד חשיפה חיובי מסוג i-line עם מנת ניקוי (dose-to-clear) של 110 mJ/cm², ניגודיות γ = 3. חשיפה באמצעות מנורת לחץ בינוני, במעקב רדיומטר פס-רחב המכויל ב-365 nm, אשר תגובתו אולם קולטת גם מרכיבים ב-405 nm וב-436 nm.

מודל. הקריאה מתאימה לאינטגרל על s_rel(λ) · E_λ dλ. אם יחס הקווים של המנורה משתנה במהלך אורך חייה, הקריאה משתנה באופן שונה ממנת הקרינה האפקטיבית. עובי הנגד הנותר עוקב בקירוב אחר Δd/d ≈ −γ · ΔE/E.

חישוב. חוסר התאמה ספקטרלית של 10 % פירושו, בערך γ = 3, שינוי יחסי של עובי השכבה המפותחת של כ-30 %.

פרשנות. הניגודיות של הנגד מגברת שגיאות מנת קרינה. האפיון הספקטרלי החד-פעמי של המקור אינו אפוא פורמליות אלא תנאי מקדים לכך שכל מעקב פס-רחב עתידי יישאר כלל ניתן לפרשנות.

קדם-ייצור מוליכים למחצה (Front End). ניקוי והפעלה (אקטיבציה) לפני שיקוע, חמצון או הדבקה; ייצוב פוטוכימי; חישוף קצה הוייפר לאחר ציפוי בחומר צילום (resist). קריטיים כאן היעדר זיהום בחלקיקים והשחזוריות של מצב שטח המפגש על פני כל הוייפר, עד לאזור הקצה עצמו.

אריזה מתקדמת (Advanced Packaging) והרכבה. חישוף שכבות נגד (resist) עבות לצורך שכבות הפצה מחדש (RDL), הדבקה זמנית ושחרור בקרינת UV (UV debonding), איטום ויציקה (potting/encapsulation), ניקוי לפני הדבקת חוטים (wire bonding), הלחמה ויציקה בתבנית (molding). גודל התהליך הקריטי הוא מנת הקרינה על פני כל השטח, ההולך וגדל בפורמט, וכן מנת הקרינה בתחתית שכבות הנגד העבות.

הדבקה ישירה והדבקה היברידית. הפעלה (אקטיבציה) בקרינת VUV/O₃ יוצרת משטחים הידרופיליים בעלי תכולת פחמן נמוכה ומאפשרת עוצמות הדבקה בטמפרטורות נמוכות בהרבה בהשוואה להדבקה הידרופילית מקובלת. קריטיים כאן זווית המגע, עליית מידת הגסות של המשטח (roughness) והזמן עד לחיבור.

ייצור חיישנים ואופטיקה. הפעלה (אקטיבציה) בקרינת UV לפני הדבקת זכוכית, קוורץ, קרמיקה ופלסטיק; חישוף שכבות פונקציונליות מבניות. קריטיים כאן ההתאמה הספקטרלית בין מקור הקרינה למאיץ (initiator) והימנעות מפגיעה בחומר באורכי גל קצרים.

אלקטרוניקה לרכב ואלקטרוניקת הספק. ניקוי לפני חיבור מודולי הספק, איטום ויציקה (potting/encapsulation) עם דרישות גבוהות להיצמדות בתנאי מחזורי חום. קריטי כאן תיעוד היסטוריית מנת הקרינה, שכן תוצאת התהליך קשה לבדיקה בלתי-הורסת על המודול המוגמר.

טכנולוגיה רפואית ומכשירי מדעי החיים. הפעלה (אקטיבציה) של פולימרים ותשתיות מיקרופלואידיות, חישוף שכבות נגד (resist) עבור מבנים מיקרוסקופיים. קריטיים כאן התאמת החומרים ותיעוד פרמטרי התהליך.

מחקר ומטרולוגיה. תאי הקרנה עם עצמת קרינה נופלת מוגדרת והומוגנית למחקרי קינטיקה, הזדקנות חומרים וקביעת ספקטרום פעולה.

• תהליכים דלי-חמצן. כאשר יש לגרום לפוטוליזה ישירה, ללא כימיה חמצונית של אוזון, לשלוט באורך גל 172 nm, הפער הופך לאינרטי באמצעות חנקן. אז טווח הקרינה VUV גדל באופן משמעותי והרכיב החמצוני נעלם ברובו – התהליך עובר מחמצון לביקוע קשרים ולסידור מחדש.
• מכלולים רגישים לחום. מקורות אקסימר באורכי גל 172 nm ו-222 nm וכן מערכות LED פועלים עם עומס אינפרא-אדום נמוך; העומס התרמי על המצע נשאר נמוך, דבר המכריע עבור רכיבים מורכבים כבר ופולימרים.
• הקרנה סלקטיבית של שטחים קטנים. לקצוות ווייפרים, כריות הדבקה ומשטחי חיבור, מומלצות מערכות ממוסכות או מערכות המתוכננות כמקורות קו או נקודה; בדיקת ההומוגניות חייבת להתבצע אז באותה גיאומטריה כמו בתהליך עצמו.
• מבנים עמוקים וחורים עיוורים. כאשר חילופי הגז הם הגורם המגביל, לא עצמת קרינה גבוהה יותר ולא זמן נוסף בלבד יעזרו. אפקטיביים הם הפעלה פועמת (pulsed) עם שלבי טיהור (purge), מחזוריות לחץ, או מעבר לתהליכים בעלי מאפייני תעבורה שונים.
• הימנעות מאוזון. במקרים בהם אוזון אינו רצוי מטעמי בטיחות תעסוקתית או מטעמי חומרים, קיימות אפשרויות כגון מקורות באורך גל 222 nm, נורות מנורה מסוגננות (doped) או אטמוספרות תהליך דלות-אוזון; אפקט הניקוי משתנה באופן מוכח, ולכן יש להכשיר את התהליך מחדש.

משימת המדידה נגזרת ישירות ממשימת התהליך. עבור ניקוי והפעלה (אקטיבציה) בקרינת UV הגודל המבוקש הוא מצב פני השטח; זווית מגע עם מים או אנרגיית פני שטח נמדדות בשיטות מבוססות, בתוספת שיטות לקביעת פחמן שיורי. עם זאת, גדלים אלה אינם משתני בקרת תהליך, שכן הם נקבעים בבדיקת מדגם ומחוץ לתהליך עצמו. משתנה הייחוס הנשלט הוא החשיפה הקרינתית בנקודת התהליך, בתוספת ריכוז האוזון או תכולת החמצן במרווח.

עבור הקרנת UV של פוטורזיסט הגודל המבוקש הוא מנת הקרינה הנספגת בשכבת הרזיסט. מה שנמדד הוא עצמת הקרינה הנופלת במישור הרקיע (wafer), משולבת על פני משך ההקרנה, בתוספת האחידות על פני שטח ההקרנה.

בבחירת שיטת המדידה:

• מדידה ספקטרלית נדרשת כאשר מקור מאופיין לראשונה, כאשר משווים בין טכנולוגיות – למשל מנורת כספית לעומת UV LED –, כאשר עומד להתבצע שינוי רזיסט או יזם (initiator), או כאשר קיים חשד להשפעות הזדקנות על ספקטרום הקווים. רק עצמת הקרינה הספקטרלית מאפשרת לחשב את החלק האפקטיבי בתוך פס הבליעה – נמדד באמצעות ספקטרורדיומטר כגון UVpad או SR900.
• מדידה בפס רחב מספיקה לפיקוח שוטף על תהליך מוסמך וידוע ספקטרלית – לצורך מדידות יד חוזרות ונשנות, למשל באמצעות RMD Pro. התנאי המקדים הוא שהרגישות הספקטרלית של החיישן תואמת את ספקטרום המקור וכי חוסר ההתאמה הספקטרלי כומת.
• מדידות עם רזולוציה מרחבית נעשות נחוצות כאשר מדובר בשטחים גדולים, באזורי קצה או במספר מקורות.
• מדידות עם רזולוציה זמנית נעשות נחוצות בפעולה פועמת (pulsed), במערכות הסעה (conveyor) ובמערכות מוגברות כימית שבהן אין הבטחה להדדיות (reciprocity).

הדרישה אינה הממשק אלא תקפות הערך המועבר. מבנה של שלוש שכבות הגיוני.

שכבה 1 – אפיון ייחוס. מדידה ספקטרלית של המקור בגאומטריית התהליך, פעם אחת ואחרי כל התערבות. התוצאות הן הספקטרום היחסי, מפת האחידות ומקדמי ההמרה בין נקודת התהליך לבין מיקום החיישן המותקן בקביעות.

שכבה 2 – פיקוח תהליך נייח. חיישנים מותקנים בקביעות ומיוצבים תרמית במיקום מוגדר מספקים ברצף עצמת קרינה, ומתוך כך נגזרת מנת הקרינה ליחידת רכיב – חיישני inline נשארים באופן קביע במסלול הקרן, PLC.net מעביר את הערכים שלו לבקר באמצעות Ethernet, ו-PLC.D מכסה חיבור טורי ופעולה מופעלת-הדק (triggered). המכריע הוא היכולת להעביר את הנתונים: בלי המקדם שנקבע בשכבה 1, החיישן מתאר רק את עצמו.

שכבה 3 – בקרה ועקיבות. ממנת הקרינה הנמדדת מתכוונן ההספק של המנורה או ה-LED, מגמות הזדקנות מזוהות, ומרווחי תחזוקה נגזרים. מנת הקרינה ליחידת רכיב נשמרת בארכיון יחד עם זיהוי, חותמת זמן ומצב הציוד. כך ניתן לתעד תהליך שתוצאתו אינה ניתנת עוד לבדיקה בלתי-הורסת על המוצר הסופי.

המעבר המשמעותי מבחינה טכנית הוא מבקרת זמן לבקרת מנת קרינה: מערכת המבצעת בקרה למנת יעד מפצה מעצמה על הזדקנות המנורה ועל עכירות החלון, כל עוד החיישן מכויל ומקדם ההמרה תקף. מערכת הפועלת על בסיס זמן מאבדת פיצוי זה כליל. כיצד משתלבות שרשראות מדידה כאלה בסביבות בקרה מתואר בעמוד היישום טכנולוגיית UV לאוטומציה ולשילוב תהליכים.

התורמים המרכזיים לחוסר הוודאות במדידה הם חוסר התאמה ספקטרלי, סטייה מהמענה הקוסינוסי האידאלי, אפקטי טמפרטורה וליניאריות של הגלאי, וחוסר הוודאות במיקום ברווח ההקרנה. במדידות VUV מתווסף הגורם שהחיישן עצמו הוא חלק ממסלול הבליעה: הגאומטריה של החיישן וזרימת הגז סביבו משנות את הקריאה. כיול עקיב – למשל על ידי מעבדת כיול מוסמכת לפי ISO/IEC 17025 – קובע את החלק השיטתי של חוסר וודאות זה, אך אינו מחליף את ההערכה הספציפית ליישום של חוסר ההתאמה הספקטרלי.

חמישה מחקרים מספקים את הבסיס הטכני לטענות המרכזיות בטקסט זה בנוגע למכניזם הניקוי, לאופטימום התהליכי ולקינטיקת ההקרנה:

1. יסודות ניקוי UV/אוזון. האיחוד השיטתי של המכניזמים – פוטוליזה ישירה, יצירת אוזון ב-185 nm, פוטוליזה של האוזון ב-254 nm וחשיבות המרחקים הקטנים בין המנורה למשטח – הושג במאמר סקירה המשמש עד היום כמקור ייחוס לתכנון תהליכים ולדרישות ניקוי מקדים. – Vig, J. R.: UV/ozone cleaning of surfaces, Journal of Vacuum Science & Technology A 3(3), 1027–1034, 1985.
2. הפעלת VUV/O₃ להדבקה ישירה בטמפרטורה נמוכה. המחקר בחן את השפעת הקרנה באורך גל 172 nm בעצמת קרינה נופלת של 10 mW/cm² ובמרחק 2 mm על סיליקון ועל קוורץ מותך. זווית המגע של המים יורדת מכ-70° לפחות מ-2° בתוך דקות ספורות, וחוזק ההדבקה בטמפרטורה של 200 °C עולה על ערכי התהליכים ההידרופיליים המקובלים בטמפרטורה של 400 °C, בעוד שהחספוס עולה באופן ניכר בהקרנה ארוכה מדי. המחקר מדגים גם את היעילות וגם את קיומו של אופטימום תהליכי. – Xu, J.; Wang, C.; Wang, T.; Wang, Y.; Kang, Q.; Liu, Y.; Tian, Y.: Mechanisms for low-temperature direct bonding of Si/Si and quartz/quartz via VUV/O₃ activation, RSC Advances 8, 11528–11535, 2018.
3. שינוי חומרי תלוי-מנה באמצעות אוזון UV. על מוליכים למחצה דו-ממדיים הודגם כי טיפול באוזון UV מכוון בכוונה תכונות אופטיות ואלקטריות, אך פוגם בהן באופן בלתי הפיך מעבר לזמן טיפול אופטימלי. מבחינה תהליכית, נגזר מכך שהמצבים “נקי” ו“ללא שינוי” אינם מתקיימים בעת ובעונה אחת לזמן בלתי מוגבל. – Sarcan, F., et al.: Ultraviolet-Ozone Treatment: An Effective Method for Fine-Tuning Optical and Electrical Properties of Suspended and Substrate-Supported MoS₂, Nanomaterials 13(23), 3034, 2023.
4. תיאור כמותי של חשיפת נגדי-אור (photoresist). הצגת הגדלים המכונים מאוחר יותר פרמטרי Dill A, B ו-C יצרה את הבסיס להתייחסות לחשיפה כתהליך קינטי בעל קבועי חומר הניתנים למדידה, במקום להסתמך על הפעלה אמפירית לפי מפרטי זמן. – Dill, F. H.; Hornberger, W. P.; Hauge, P. S.; Shaw, J. M.: Characterization of positive photoresist, IEEE Transactions on Electron Devices 22(7), 445–452, 1975.
5. ספיגה וסטטיסטיקת פוטונים בנגדי-אור מודרניים. מדידות של מקדמי ספיגה דינמיים מראות כי באורכי גל קצרים ובמנות קרינה נמוכות מספר הפוטונים הנספגים לנפח הופך קטן עד כי אפקטים סטטיסטיים משתתפים בקביעת חלון התהליך. הדבר מסביר מדוע לא ניתן להשיג הפחתת מנת קרינה כרווח בפרודוקטיביות באופן שרירותי. – Fallica, R.; Stowers, J. K.; Grenville, A.; Frommhold, A.; Robinson, A. P. G.; Ekinci, Y.: Dynamic absorption coefficients of chemically amplified resists and nonchemically amplified resists at extreme ultraviolet, Journal of Micro/Nanolithography, MEMS, and MOEMS 15(3), 033506, 2016.

מנוע החיפוש לפרסומים מפרט את כל הפרסומים בנושא אלקטרוניקה ומוליכים למחצה הידועים לנו – ניתן לחפש לפי מכשיר, תחום ומילת מפתח.

חשיפה ל-UV ומיקרו-מבנים מופיעים גם הם בכמה היבטים בפרסומים של לקוחות Opsytec – מפוטוליתוגרפיה בשבבים מיקרו-פלואידיים ועד לתגובת החומר התלויה במנת הקרינה של נגד-אור (פוטורזיסט).

מראה שניתן לייצר מיקרו-מבני הידרוג'ל בשבבים מיקרו-פלואידיים באמצעות פוטוליתוגרפיית UV פשוטה בצפיפות המתאימה ל-VLSI – מנת החשיפה וגיאומטריית המסכה קובעות את דיוק המבנה המושג.
Hydrogel patterns in microfluidic devices by do-it-yourself UV-photolithography suitable for very large-scale integration
Beck, Anthony, et al. "Hydrogel patterns in microfluidic devices by do-it-yourself UV-photolithography suitable for very large-scale integration." Micromachines 11.5 (2020): 479.

מודדת את מקדם השבירה התלוי בחשיפה של שכבת נגד-אור (פוטורזיסט) – הוכחה ישירה לכך שמנת הקרינה הנספגת קובעת את תכונות החומר, ולא רק את העברת התבנית.
Exposure-dependent refractive index of Nanoscribe IP-Dip photoresist layers
Dottermusch, Stephan, et al. "Exposure-dependent refractive index of Nanoscribe IP-Dip photoresist layers." Optics letters 44.1 (2018): 29-32.

משתמשת במנשאי פולימר בעלי מיקרו-מבנה פוטוליתוגרפי לצורך קריסטלוגרפיה סדרתית בסינכרוטרונים – מיקרו-מבנה UV מעבר לייצור השבבים הקלאסי, עם אותן דרישות למנת קרינה והומוגניות.
Micro-structured polymer fixed targets for serial crystallography at synchrotrons and XFELs
Carrillo, Melissa, et al. "Micro-structured polymer fixed targets for serial crystallography at synchrotrons and XFELs." IUCrJ 10.6 (2023).

בוחנת התדרדרות מושרית UV בתאים סולריים הטרו-מעברי-סיליקון בתנאי הקרנה מוגדרים – אותה שאלה של מנת קרינה וספקטרום, הפעם כלפי התקן מוליך למחצה מוגמר.
Passivating Contacts-Related Ultraviolet-Induced Degradation in Silicon Heterojunction Solar Cells
Xu, Binbin, et al. "Passivating Contacts-Related Ultraviolet-Induced Degradation in Silicon Heterojunction Solar Cells." Small Structures 7.6 (2026).

עבודות נוספות מתחומים קרובים מכונסות בפרסומים של לקוחות, מסודרים לפי נושא.

1. Vig, J. R.: UV/ozone cleaning of surfaces. Journal of Vacuum Science & Technology A 3(3), 1027–1034 (1985). DOI 10.1116/1.573115 – מכניזמים של ניקוי UV/אוזון, תלות במרחק, דרישות טרום-ניקוי.
2. Dill, F. H.; Hornberger, W. P.; Hauge, P. S.; Shaw, J. M.: Characterization of positive photoresist. IEEE Transactions on Electron Devices 22(7), 445–452 (1975). DOI 10.1109/T-ED.1975.18159 – תיאור קינטי של החשיפה, פרמטרי Dill A, B, C.
3. Xu, J., et al.: Mechanisms for low-temperature direct bonding of Si/Si and quartz/quartz via VUV/O₃ activation. RSC Advances 8, 11528–11535 (2018). DOI 10.1039/C7RA13095C – הפעלה באורך גל 172 nm, זווית מגע, חוזק הדבקה, מגבלת חלקות.
4. CIE 220:2016, Characterization and Calibration Method of UV Radiometers, בשילוב עם CIE S 017/E:2020 (ILV; הסיווג הגרמני הקודם לפי DIN 5031-7:1984 בוטל ללא תחליף) – הגדרת תחומי הספקטרום של UV, פער ספקטרלי (spectral mismatch), שיטות כיול ואפיון לרדיומטרים UV.
5. ISO 19403-2, Wettability – Determination of the surface free energy of solid surfaces by measuring the contact angle, ו-DIN EN ISO/IEC 17025:2018-03, General requirements for the competence of testing and calibration laboratories – יסודות נורמטיביים להערכת משטחים ולמדידת קרינה עם עקיבות מטרולוגית.
6. SEMI, תחזית ציוד המוליכים למחצה לאמצע השנה (2026), WSTS, תחזית שוק המוליכים למחצה, אביב 2026 וYole Group, מצב תעשיית האריזה המתקדמת (2025) – מדדי שוק להשקעות בחזית (front-end), בגב (back-end) ובאריזה מתקדמת; כל אחד מצוטט עם שנתו.

כיצד פועל ניקוי UV-אוזון של רקיקים?
קרינת UV קצרת אורך גל שוברת קשרים בספחים אורגניים, ובו-זמנית מייצרת אוזון וחמצן אטומי מהחמצן שבאוויר. המינים התגובתיים הללו מחמצנים פחמימנים ל-CO₂ ו-H₂O. התהליך יבש, ללא מגע ודל-חלקיקים; התוצאה ניכרת בירידת זווית המגע של המים ובעלייה באנרגיית פני השטח.

אילו אורכי גל מתאימים לניקוי UV של משטחי מוליכים למחצה?
השילוב 185/254 nm ממנורות כספית בלחץ נמוך פועל בעיקר בעקיפין דרך יצירת אוזון ופוטוליזה של האוזון, ומאפשר מרחקי עבודה גדולים יותר. קרינת אקסימר קסנון באורך גל 172 nm פועלת גם באופן ישיר, מכיוון שאנרגיית הפוטון שלה, 7.2 eV, גבוהה מאנרגיות הקשר של C–C, C–H ו-C–O. אורך גל 222 nm הוא אפשרות כאשר יש להימנע מיצירת אוזון.

מדוע ניקוי ב-172 nm נכשל במרחק גדול יותר?
חמצן מולקולרי סופג בעוצמה באורך גל 172 nm. באוויר בתנאים סטנדרטיים עצמת הקרינה הנופלת יורדת ל-1/e לאחר כ-4 mm ולעשירית לאחר כ-10 mm. במקביל, החמצן התגובתי כבר אינו נוצר על פני השטח. לכן מרחקי העבודה המקובלים נמצאים בטווח של 1 עד 3 mm.

איזו מנת קרינה נדרשת לחשיפת פוטורזיסט לקרינת UV?
מנת הקרינה תלויה בסוג הרזיסט, בעובי השכבה, בהחזרה מהמצע ובספקטרום המקור. רזיסטים חיוביים דקים מסוג i-line דורשים בדרך כלל 65 עד 110 mJ/cm² ביישור מסכות (mask aligner), ואילו רזיסטים לשכבות עבות המשמשים לשכבות חלוקה מחדש (redistribution layers) דורשים כ-180 mJ/cm². ערכים כאלה ניתנים להעברה רק יחד עם הספקטרום שעבורו נקבעו.

מה ההבדל בין עצמת קרינה נופלת לחשיפה קרינתית?
עצמת הקרינה הנופלת, ביחידות mW/cm², מתארת את הספק הקרינה ליחידת שטח המגיע ברגע נתון. מנת הקרינה, ביחידות mJ/cm², היא האינטגרל שלה על פני זמן. עבור תגובות פוטוכימיות מסדר ראשון, מנת הקרינה קובעת את מידת ההמרה. ברגע שמעורבים תהליכי דיפוזיה או תהליכים תרמיים, עצמת הקרינה הופכת לפרמטר עצמאי. ההבדלים הפורמליים בין עצמת קרינה, מנת קרינה ופלואנס מפורטים בסקירת גדלים רדיומטריים.

מדוע ההספק החשמלי של המנורה אינו מספיק להערכת התהליך?
רק חלק מההספק החשמלי מומר לקרינה שימושית בטווח הספקטרלי הרלוונטי, ורק חלק מזה מגיע אל פני השטח של הרכיב. הזדקנות המחזיר, עכירות החלון, המרחק והספיגה באווירת התהליך פועלים באופן מכפלתי. הספק חשמלי בלתי משתנה אינו שולל אובדן מנת קרינה משמעותי. מדוע דירוג הספק אינו גודל נמדד מעצם טבעו מוסבר תחת גדלים רדיומטריים.

כיצד נמדדת מנת קרינת ה-UV בציוד ייצור?
תחילה מאפיינים את המקור ספקטרלית בגיאומטריית התהליך, וקובעים את היחס בין נקודת התהליך למיקום החיישן הקבוע. חיישן רחב-סרט מכויל במיקום קבוע משמש לאחר מכן לניטור השוטף. מנת הקרינה מתועדת עבור כל רכיב כדי לאפשר הדגמה של מגמות הזדקנות וסטיות תהליך.

מתי נדרשת מדידה ספקטרלית באופן מחייב?
באפיון הראשוני של מקור קרינה, בהשוואה בין טכנולוגיות שונות כגון מנורת כספית ו-UV LED, בעת החלפת רזיסט או פוטואיניציאטור, וכאשר קיים חשד לתזוזות עקב הזדקנות בספקטרום. מדידות רחבות-סרט עלולות להסתיר במקרים אלה שגיאות שיטתיות של עשרות אחוזים.

טיפול פוטוכימי במשטחים מקשר בין ייצור מוליכים למחצה לתחומים שכנים: אופטיקה ורכיבי דיוק משתמש באותם תהליכי אקטיבציה של UV-ozone ו-VUV על משטחים אופטיים, פוטו-וולטאיקה מפעילה תהליכי פרוסות דומים כולל התדרדרות המושרית על ידי UV, ו-הדבקה, יציקה ואנקפסולציה בקרינת UV מתארת את שלבי החיבור הבאים לאחר האקטיבציה.

לא בטוחים כמה עצמת קרינה נופלת ב-172 nm מגיעה בפועל לפני השטח של הפְלֶקֶה במרווח של כמה מילימטרים – או כמה מנת קרינה נותרת בתחתית שכבת רזיסט בעובי 15 µm? מדידה ספקטרלית בגיאומטריית התהליך וכיול עקיב מטרולוגית של החיישנים בשימוש מבהירים אם חלון התהליך אמיתי או רק נומינלי – כתבו לנו את השאלה שלכם.